KR20100059727A

KR20100059727A - 안테나 장치

Info

Publication number: KR20100059727A
Application number: KR1020090114846A
Authority: KR
Inventors: 아키히로 마루야마
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2010-06-04
Also published as: US20100127948A1; CN101789544A; JP2010130099A; US8274435B2

Abstract

본 발명은, 소형이고 양호한 전기성능을 가지는 단말용 내장 안테나장치를 제공한다. 휴대 단말기용 내장 안테나 장치는, 급전점을 구비한 지판과, 지판의 일단에 인접하여 배치된 안테나부를 구비한다. 안테나부는, 일단이 급전점에 접속되고 타단이 헬리컬 형상으로 형성된 역L형상의 안테나 소자와, 자성체편과, 유전체편을 구비한다. 자성체편은 안테나 소자의 전류분포가 높은 부분에 로딩되고, 유전체편은 안테나 소자의 전류분포가 낮은 부분에 로딩된다. 이와 같은 구성을 가지는 것에 의해, 소형화와 양호한 전기성능을 양립시킬 수 있다.

안테나, 급전, 헬리컬, 유전체, 자성체

Description

안테나 장치{ANTENA APPARATUS}

본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로, 특히 이동 통신에 있어서의 무선기기용 싱글 밴드의 내장 안테나 장치에 관한 것이다.

종래에 휴대 단말기에 탑재되는 안테나는, 크게 휴대 단말기의 외부에 실장하는 것(제1 타입), 휴대 단말기 내부의 프린트 기판(ＰＷＢ) 상에 실장하는 것(제2 타입), 휴대 단말기 내부의 ＰＷＢ 길이방향의 단면 상부에 실장하는 것(제3 타입)의 3종류로 구별되어 왔다.

이 중, 제1 타입의 안테나로서는, 예를 들면 일본 특허 공개공보 제2004-56559호에 기재된 듀얼밴드 안테나를 들 수 있다. 단말기의 외부에 실장되는 제1 타입의 안테나에는, 고성능 전기특성을 가지며, 또한 전기특성의 조정이 용이한 장점이 있다. 또한, 제2 타입의 안테나로서는, 예를 들면 일본 특허 공개공보 제2008-118273호에 기재된 멀티 밴드 대응 안테나 장치를 들 수 있다. 제2 타입의 안테나는, 단말기에 내장하는 것이 가능한 점에서 유리하다. 그리고, 제3 타입의 안테나는, 제2 타입의 안테나보다도 더욱 소형화할 수 있다고 하는 이점을 가진다.

도2의 (a)∼(e)는 제1 내지 제3 타입의 안테나를 간략화하여 예시하며, (a) 및 (b)가 제1 타입, (c)가 제2 타입, (d) 및 (e)가 제3 타입을 지시하다.

이들의 3종류의 안테나는, 상술한 바와 같은 이점을 가지는 한편, 다음과 같은 문제점이 있다.

제1 타입의 안테나의 경우, 단말기의 외부에 큰 실장 체적을 필요로 한다. 따라서, 단말기의 소형화 경향이 진행되는 최근에는, 디자인 상의 제약에 의해 사용이 곤란하게 된다. 또 제2의 타입의 안테나의 경우에는, ＰＷＢ 상에 안테나를 실장하고 있기 때문에, 안테나 사이즈가 대형화되는 문제점이 있어, 소형 안테나를 실현시킬 경우에는 문제가 발생한다. 소형 안테나를 실현할 수 없기 때문에, 역시 사용이 곤란하다. 그리고, 제3 타입의 안테나는, 소형화했을 때에 발생하는 저임피던스화나 용량성 결합의 증가에 의해 전기성능이 열화되어 버리는 결점을 가지고 있다.

본 발명은 전술한 점을 고려하여 안출된 것으로서, 소형이면서 양호한 전기성능을 실현할 수 있는 휴대 단말기용 내장 안테나 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 휴대 단말기용 내장 안테나장치는, 급전점을 구비하는 지판과, 상기 지판의 단부에 인접하여 배치되는 안테나부를 구비하며, 상기 안테나부는, 일단이 상기 급전점에 접속되고 타단이 헬리컬 형상으로 형성된 역L형상의 안테나 소자와, 자성체편과, 유전체편을 구비하고, 상기 자성체편은 상기 안테나 소자의 전류분포가 높은 부분에 로딩되고, 상기 유전체편은 상기 안테나 소자의 전류분포가 낮은 부분에 로딩된다.

이 안테나 장치에 있어서, 안테나 소자는 타단을 유전체편의 표면상에 감겨져 헬리컬(helical) 형상을 형성한다. 또한, 이 안테나 장치에서, 안테나 소자의 역L형상의 긴 변이 지판의 단부와 평행하고, 이 긴 변과 지판의 단부와의 사이의 거리를 가변하는 것에 의해, 임피던스를 조정할 수 있다. 이것에 의해, 본 발명의 안테나 장치는 소망하는 특성을 얻을 수 있다.

본 발명의 안테나장치는, 소형화와 양호한 전기성능을 양립시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 안테나 장치를 예시한다. 도1 (a)는 안테나 장치의 전체를, (b)는 안테나부를 확대한 모습을 나타낸다. 도시한 바와 같이, 안테나 장치(10)에서는, 상술한 문제를 해결하면서 소형화를 실현하기 위해서, 역L형상의 안테나 소자(20)의 선단부를 평면 헬리컬 형상으로 함과 동시에, 안테나 소자(20)를 자성체편(40) 및 유전체편(50)의 표면상에 형성하고, 지판(30)의 상대적으로 짧은 단부의 일측에 급전점을 설치하여 실장한다. 여기서, 자성체편(40)은 안테나 소자(20)의 근원 즉 급전점 근방에 배치되고, 유전체편(50)은 안테나 소자(20)의 선단부에 위치한다.

도1의 실시예에 있어서, 지판(30)은 100mm×5mm의 크기를 가진다. 이것은, 일반적인 휴대 단말의 ＰＷＢ의 크기를 상정한 것이다. 또한, 안테나 소자(20), 자성체편(40), 및 유전체편(50)을 가지는 안테나부(이하, 필요에 따라 안테나 소자(20), 자성체편(40), 및 유전체편(50)을 합쳐서 「안테나부」라고 칭함)의 실장 사이즈는 지판(30)의 단부로부터 10mm이다. 이것에 의해, 안테나부와 지판(30)을 휴대 단말기에 내장했을 때의 단말기의 대형화를 회피할 수 있다. 안테나 소자(20)의 폭은, 예를 들어 1mm로 한다.

지판(30)과 안테나 소자(20)의 긴 직선부 사이의 거리W는 안테나 임피던스 조정에 관여하는 것으로, 임의로 설계할 수 있다. 또한, 안테나 소자(20)의 선단부의 헬리컬 형상의 권취(winding) 간격 및 권취 수는 공진 주파수에 관여하는 것으로서, 임의로 설계 가능하다. 자성체편(40)으로서는 페라이트를, 유전체편(50)으로 서는 세라믹을 이용할 수 있다. 이 자성체편(40) 및 유전체편(50)에 대해서는 후술한다.

이와 같은 구성을 가지는 안테나 장치(10)의 설계에 있어서, 우선, 종래의 안테나의 제3 타입으로서 상술한 안테나에 대해서, 전기성능의 ＶＳＷＲ 및 임피던스를 살펴보았다. 즉, 100mm×5mm의 크기를 가지는 지판(30)의 상대적으로 짧은 단부의 일 방향 측에, 도3에 나타낸 바와 같이 역Ｌ형의 평면 안테나(204)를 설치했을 경우와, 도5에 도시한 바와 같이 역Ｆ형의 평면 안테나(205)를 실장한 경우로, ＶＳＷＲ 및 임피던스의 시뮬레이션을 행하였다. 도3 및 도5에 있어서, (a)는 전체를, (b)는 안테나부를 확대한 모습을 나타낸다.

여기서, 안테나 소자 204 및 205는 10mm×5mm×2mm의 크기를 가지는 유전체 수지 ＡＢＳ(Acrylonitrile·Butadiene·Styrene)의 표면상에, 선단부를 폴딩하여 패턴 형성을 한다. ＡＢＳ의 재료특성은 εr=3.5로 한다.

도4에 나타낸 것은, 도 3의 역L평면 안테나(204)에 관한 시뮬레이션 결과이다. 이 결과로부터, 소형화 및 박형화된 안테나는 방사 저항의 저하에 의해 임피던스가 저하되고, ＶＳＷＲ 값이 악화되는 것을 알 수 있다. 설계한 주파수대역에 있어서 ＶＳＷＲ의 값은 5.5을 밑도는 정도로, 이것보다도 양호한 값은 얻을 수 없다.

도 6에 나타낸 것은, 도5의 역F평면 안테나에 관한 시뮬레이션 결과이다. 이 결과로부터, 중심 주파수 부근에서는 양호한 ＶＳＷＲ값을 얻을 수는 있지만, 협대역임을 알 수 있다. 일반적으로, 역F안테나는 역L안테나와 비교하여 협대역이지만, 이 시뮬레이션 결과의 경우, 형상의 소형화에 의해 Q값이 상승하기 때문에, 더 협대역이 된다.

이와 같이, 종래의 역L안테나 및 역F안테나를 이용하여 안테나 장치의 소형화를 실현하고자 할 경우, 전기성능의 열화라는 과제가 남는다.

그런데, 안테나의 소형화에 있어서는, 형상의 연구뿐만아니라, 재료 로딩(loading)에 의한 파장 단축 효과를 효율성 있게 얻는 것도 요구된다. 전술한 역L안테나에서는, 지판을 이용한 안테나의 전기장L을 약 λ/4로 설계하고 있지만, 자성체 및 유전체의 로딩에 의한 비투자율(μr) 및 비유전율 (εr)의 파장 단축효과를 고려하여 안테나를 구성할 경우에는, 안테나 소자의 길이L의 관계식은 하기의 수학식 1같이 나타낼 수 있다.

L= (λ/4）／√（εｒ·μｒ)

비유전율 (εr) 및 비투자율(μｒ)의 값을 크게 하면, 얻을 수 있는 파장단축 효과는 커진다. 한편, 앞에 설명한 바와 같이, 소형화에는 전기성능의 열화라고 하는 문제가 수반된다. 그래서, 자성체편 및 유전체편의 적절한 재료로딩에 대해서 살펴보기 위하여, 도7 및 도9에 도시한 바와 같이, 역L안테나의 안테나 소자(204)의 선단부분 또는 급전점 근방의 근원부분에 자성체편(40) 또는 유전체편(50)을 배치하여, ＶＳＷＲ과 임피던스의 시뮬레이션을 행하였다.

또한, 도7 및 도9에 있어서, (a)는 전체를, (b)는 (a)에서 점선으로 둘러싼 안테나부를 확대한 모습을 나타낸다. 또, 이 시뮬레이션에 있어서, 자성체편(40) 및 유전체편(50)은 모두 15mm×10mm×2mm (0.3cc)의 크기를 가지는 것으로 하고, 재료 정수(constant)는 다음과 같게 한다.

비투자율 μｒ =1로 고정하고, 비유전율εr을 1∼80으로 가변

비유전율 εr =1로 고정하고, 비투자율 μｒ을 1∼80으로 가변

도8은, 도7에 나타낸 바와 같이 안테나 소자 204의 선단부분에 자성체편(40) 또는 유전체편(50)을 배치했을 경우의 시뮬레이션 결과이다. 도8에 의하면, 비투자율을 μr=1로 고정하여 비유전율εr을 가변시키면, 비유전율εr을 높게 할수록 파형이 낮은 주파수로 크게 변화된다. 즉, εr에 의한 파장단축 효과가 많이 얻어지는 것을 알 수 있다.

한편, 도10은, 도9에 나타낸 바와 같이 안테나 소자(204)의 근원부분에 자성체편(40) 또는 유전체편(50)을 배치했을 경우의 시뮬레이션 결과이다. 도10에 따르면, 비유전율을 εr=1로 고정하여 비투자율 μr을 가변시키면, 비투자율 μr을 높게 함으로써 파형이 낮은 주파수로 변화된다. 즉, μr에 의한 파장단축 효과가 더 많이 얻어지는 것을 알 수 있다. 변화율은 낮지만, 임피던스의 저하 현상이 발생하기 어렵고, ＶＳＷＲ값이나 대역폭에도 거의 변화를 볼 수 없다.

이 동작 원리를 살펴보기 위해서, 같은 역L안테나에 대해서 안테나 소자 표면의 전류분포의 시뮬레이션 해석을 행하였다. 결과를 도11에 도시한다. 도11에 있어서, 짙은 부분은 전류분포가 낮은 것을, 엷은 부분은 전류분포가 높은 것을 나타낸다. 즉, 안테나 소자(204a)의 선단부분에서는 전류분포가 낮고, 급전부 부근의 근원부분에서는 전류분포가 높은 것을 확인할 수 있다. 도8 및 10에 나타낸 시뮬레 이션 결과에 비추어 보면, 전류분포가 낮은(즉, 전계가 높은) 부분에서는 유전체의 로딩이 유효하고, 전류분포가 높은 부분에서는 자성체의 로딩이 유효하다고 할 수 있다.

다음으로, 도12에 나타낸 바와 같이, 도11의 역L안테나를 변형한 안테나 소자(204b)에 대해서도 같은 시뮬레이션 해석을 행하였다. 역L안테나를 소형화 및 박형화하기 위하여, 안테나 소자(204b)는 선단부를 평면 헬리컬 형상으로 하고, 선단에 인덕턴스(inductance) 성분을 부가한다. 안테나 소자(204b)에 대해서도 역시 선단부분에서는 전류분포가 낮고, 급전부 근방의 근원부분에서는 전류분포가 높다.

이상의 점에 의거하여, 도1에 나타낸 본 발명의 안테나 장치(10)는, 안테나 소자(20)의 선단부분을 세라믹편(50)의 표면상에 형성한 평면 헬리컬 형상으로 하고, 급전점 근방의 근원부분을 페라이트편(40)의 표면상에 형성하여 구성된다.

여기서, 페라이트편(40)으로서는, 크기가 8mm×5mm×2mm (0.08cc), 1ＧＨｚ에 있어서의 재료특성이 εr=13 ｔａｎδ=0.01, μr=3 ｔａｎδ=0.05인 것을 사용한다. 또한, 세라믹편(50)으로서는, 크기가 5mm×12mm×2mm (0.12cc)이며, 1ＧＨｚ에 있어서의 재료특성이 εr=60 ｔａｎδ=0.06인 것을 사용한다. 그러나, 이들의 재료특성이나 치수는, 제작되는 안테나의 사용 주파수나 대역에 맞춰서 임의로 설계할 수 있다.

도13은, 이 안테나 장치(10)에서 얻어진 ＶＳＷＲ성능을, 도4 및 도6에 나타낸 역L안테나 및 역F안테나의 ＶＳＷＲ성능과 합쳐서 나타낸 것이다. 도13에 의하면, 본 발명의 안테나의 경우, 역L안테나와 비교해서 ＶＳＷＲ값이 3정도 개선되어 있음을 알 수 있다. 또한, ＶＳＷＲ값이 3보다도 작아지는 주파수비 대역폭에 대해서도, 역F안테나와 비교해서 15%정도의 개선을 볼 수 있다.

이상, 본 발명의 일실시형태를 설명하였다. 아울러, 재료특성에 대해서는, 휴대 단말에 이용할 수 있는 안테나를 상정하고, 800MHz일 경우의 최적 값을 나타내고 있지만, 이것은 예시에 지나지 않으며, 본 발명은 그 이외에도 다양하게 실시하는 것이 가능하다.

본 발명에 따르면, ＧＳＭ850/950(824∼960MHz)의 주파수 대역을 만족하는 양호한 성능을 가진 소형이고 박형(low-profile)의 휴대 단말기용 내장 안테나를 실현할 수 있다.

도1의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 전체도이고, (b)은 안테나부 확대도,

도2의 (a) 내지 (e)은 종래의 안테나를 설명하는 도면,

도3의 (a)는 전기성능의 시뮬레이션에 이용하는 역L안테나의 전체도, (b)는 안테나부의 확대도,

도4는 도3의 역L안테나의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프,

도5의 (a)는 전기성능의 시뮬레이션에 이용하는 역F안테나의 전체도, (b)은 안테나부의 확대도,

도 6은 도5의 역F안테나의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프,

도7의 (a)는 자성체편/유전체편을 안테나 소자의 선단부분에 로딩시킨 경우의 전기성능의 시뮬레이션에 이용하는 역L안테나의 전체도, (b)는 안테나부의 확대도,

도8은 도7의 역L안테나의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프,

도9의 (a)는 자성체편/유전체편을 안테나 소자의 근원부분에 로딩시킨 경우의 전기성능의 시뮬레이션에 이용하는 역L안테나의 전체도, (b)는 안테나부의 확대도,

도10은 도9의 역L안테나의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프,

도11은 역L안테나의 안테나 소자에 있어서의 전류분포를 나타내는 도면,

도12는 본 발명의 일실시예에 따른 안테나 장치의 안테나 소자에 있어서의 전류분포를 나타내는 도면,

도13은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치의 전기적 성능을 나타내는 그래프.

Claims

급전점을 구비하는 지판과, 상기 지판의 단부에 인접하여 배치되는 안테나부를 구비하며,

상기 안테나부는, 일단이 상기 급전점에 접속되고 타단이 헬리컬 형상으로 형성된 역L형상의 안테나 소자와, 자성체편과, 유전체편을 구비하고,

상기 자성체편은 상기 안테나 소자의 전류분포가 높은 부분에 로딩되고,

상기 유전체편은 상기 안테나 소자의 전류분포가 낮은 부분에 로딩되는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기용 내장 안테나장치.
제 1항에 있어서,

상기 안테나 소자는 상기 타단을 상기 유전체편의 표면상에 감아 상기 헬리컬 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 안테나 소자의 상기 역L형상의 긴 변이 상기 지판의 단부와 평행하고, 상기 긴 변과 상기 지판의 단부 사이의 거리를 가변하는 것에 의해, 임피던스를 조정하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.